煤矿井下人员监控系统CAN技术研究

刘西青

（山西煤炭职业技术学院）

摘要：建立先进的煤矿井下人员定位考勤系统，对于煤矿的安全生产有着重要的意义；本文介绍了煤矿井下人员定位考勤系统的通信应用技术，以及在现场中的应用情况，为煤矿企业选择、应用井下人员考勤定位系统提供了较好的实践经验。

关键词：煤矿井下人员安全监控；通信技术；CAN总线技术。

在测控网络中，设备控制层常用的通信技术有RS-485，现场总线和工业以太网等。随着工业以太网技术的不断发展，测控网络的设备控制层将有可能采用工业以太网技术来实现。下面分别对这些技术进行论述，并且主要对当前比较流行的现场总线技术与工业以太网进行比较，从而选择适合在矿井人员安全监控系统中使用的通信技术。

1、R S -485

RS -485利用差分方式来传翰数据，有效地抑制了共模干扰，提高了可靠性与通信距离。RS-48的电气特性与RS-422相同。RS-422的通信速率可达IOMb/s(距离上限为10m)，通信距离可达1.2km(速率上限为.OOkb/s). RS-485的拓扑结构为总线型，但是仅实现了物理层协议，对于链路层没有定义，缺乏总线仲裁、出错校验、可靠性措施等诸多网络功能。采用R S- 485连成的设备网络中，只能有一个主节点，其余均为从节点。这种主从结构的网络无法构成多主结构或冗余结构的系统，一旦主节点出现故障，整个系统将处于瘫痪状态，因而对主节点的可靠性要求很高。另外，网 络中数据通信方式为命令响应型，任何一次数据传输都是主节点首先发出命令，从节点接到命令后，以相应的方式传给主节点。这使得网络上的数据传输速率降低很多，并且使主节点控制器非常繁忙。

2、现场总线

现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络，它不仅包含有过程控制信息交换，而且还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备(智能变送器、调节法、分析仪和分布式拍单元)可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现。目前 ， 使 用较多的现场总线主要是CAN现场总线、基金会现场总线(FF,FUNDATION FIEI.DBUS)和PROFIBUS现场总线。

(1)基金会现场总线(FF)

基金 会 现 场总线能适应本质安全防爆的要求，可以通过传输数据的总线为现场设备提供工作电源。FF定义了OR模型中的物理层、数据链路层、应用层、用户层。FF的优点是配置灵活、协议的功能齐全;其缺点是实现复杂，兼容设备有限，另外其标准化的进程以及被工业应用接受的进程比较缓慢。

(2) PROFIBUS

PROFIBCS用了OR模型的物理层、数据链路层。根据应用的特点，PROFIBU有三个兼容版本:PROFIBUS-DP. PROFIBUS-FMS. PROFIBUS-PA.PROFIBUS的优点是能够高速处理大量的数据，对于每个节点来说，每个报文最多可包含244字节的数据。其缺点是传送的数据少时，额外开销大，因为每个报文均有12个字节的额外开销;另外，PROFIBUS在总线上没有电源。

(3) CA N技术

20 世纪 8 0年代初，德国Bosch公司为了解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换闷魔，开发了一种串行数据通信协议--CANT. CAN是一种可以有效支持分布式控制系统或实时控制系统的串行通信网络。由于其性能较好，己经从汽车行业推广到其它工业控制领域成为一种事实上的工业标准。CA N定 义 了OSI模型中的物理层和数据链路层，对应用层没有进行定义。CAN的最大特点是其可靠性高、实时性强、连接方便。CAN的相关产品价格比较低廉，并且CAN协议得到了Intel. Motorola. Pbilips. Simens. NEC等多家国际著名大公司的支持。

CA N (C ontorllerA reaN etwork)即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。它最初出现在80年代末的汽车工业里。起先，CAN总线被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。CA N总线的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短、受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点极其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力和检错能力。CA N总线 支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接枷吸送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传轴信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。CA N通讯 协议描述了在设备之间信息如何传递。它对层的定义与开放系统互连模型OR一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯是发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的结构定义了模型的最下面的两层:数据链路层和物理层。应用层通过不同的新兴协议层(专门用于特殊的工业领域加上由个别CAN用户定义的任何合适的方案)和物理层连接。

CAN的性能特点：

CA N 是 由ISO定义的一种多主方式的串行通讯总线，它的基本设计规范要求，有高的位速率，高抗电磁千扰性，而且能够检测出产生的任何错误.一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用PhiilpsP8 2CZ50作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。当信号传输距离达到1010.时，CAN总线仍可提供高达5kbps的数据传输速率。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。作为 一 种 技术先进、可靠性高、功能完善的现场总线，CAN已被广泛应用到各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN总线。和一般通信总线相比，CAN总线都具有不可比拟的优越性。归纳如下：

. 低成本；极高的总线利用率。

. 很远的数据传输距离长达(10Km)

. 高速的数据传输速率高达(1Mbps)

. 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文

. 可靠的错误处理和检错机制

. 发送的信息遭到破坏后，可自动重发

. 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能

. 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息

3 、工业以太网

下面从通信带宽等五个方面对工业以太网与现场总线进行对比。

(1)通 信 带 宽

以太网的通信速率较高，其标准带宽为1OMbps，现在又出现了快速以太网(100Mbps)以及千兆以太网。而一般的现场总线的带宽都没有超过12Mbps，

表1几种现场总线的最大带宽(单位：bps)

表1列出了常用的几种现场总线的最大带宽。从带宽角度讲，以太网较现场总线有一定的优势。但是，在一般的工业控制现场，对通信速率的要求并不是很高，CAN现场总线的通信速率可以满足要求。

(2)传输短报文时带宽利用率

在实际的工业现场，一般站点之间的通信以交换短报文(由几个字节组成)为主.以太网的MAC(Medium Access Control，媒体访问控制)子层中，采用CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，带冲突检测的载波侦听多路访问)}}议。当一个站点发送短帧时，有可能第一个尚未到达电缆的最远端就已经完成发送，于是造成冲突发生却检侧不到的现象，导致通信无法正常进行。为了避免产生这种现象，必须对最短技长度进行限翻。因此 ，采用以太网来传输短报文，造成了很大的带宽浪费。使其用于传输有用信息的速率大打折扣。

(3)实时性

在工 业 现 场，数据必须在确定的时间内到达目的站点。对于信道的访问，以太网采用CSMA/CD协议，这种协议不能确保报文何时到达目的站点。在一些对时间敏感的应用场合，报文的延迟将会造成严重后果。而现场总线技术的传输是确定性的，可以预知报文何时到达目的站点。

(4)对工业现场的适应性

以太网在总线上没有电源，连接器脆弱。与大多数现场总线相比，以太网更容易受电磁干扰以及射频千扰。

(5)现场设备的支持

目前，支持以太网的现场设备有限，少量支持以太网的设备价格昂贵，导致整个工程的成本过高。而对于现场总线技术而言，支持的厂家较多，现场设备选择的余地较大，另外，价格比较低廉。从上述比较可以看出，现场总线技术有诸多优点，CAN现场总线技术更是在成本、可靠性、通信速率方面满足系统要求。因此，在所以在煤矿井下人员定位系统中，采用CAN现场总线作为现场设备控制层的通信总线较为实用。使用现场总线带来的好处：

节省硬件成本；

设计 、组态、安装以及调试简便；

系统维护、设备更换和系统扩充方便；

系统的安全、可靠性好，减少故障停机时间；

用户对系统配制、设备选型有最大的自主权；

完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。

参考文献：

1． 吕洁.射频识别技术RFID及其应用，智能建筑与城市信息，2004. No.97(12)

2．阳宪惠.现场总线技术及应用[M1 北京:清华大学出版社.2003

3 饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M],北京：北京航空航夭大学出版社 出版：2003.

作者简介：刘西青（1966-），女，北京市人，太原科技大学毕业，工程师、讲师，从事煤矿计算机网络应用课程教学研究和计算机校园网络管理工作。太原 030031